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一种动力蓄电池热失控的判断方法及后处理措施

2021-12-07 19:36:14·  来源：电动学堂  作者：刘敏等  
　
文章来源：1.成都广通新能源汽车产业技术研究有限公司2.成都广通汽车有限公司3.珠海广通汽车有限公司引言热失控是指电池单体放热连锁反应引起电池温度不可控上升
文章来源：1.成都广通新能源汽车产业技术研究有限公司2.成都广通汽车有限公司
3.珠海广通汽车有限公司
引言
热失控是指电池单体放热连锁反应引起电池温度不可控上升的现象，单体热失控后会进一步引发其余电池单体连接发生热失控形成电池包的热扩散。在车辆行驶在过程中由于路况复杂及电池本身的工艺问题，可能由于过热、挤压和碰撞等原因而导致电池出现冒烟或着火等极端恶劣的事故，若不能及时发现并得到有效处理，势必导致故障的进一步扩大，对周围电池、车辆以及车上人员构成威胁，严重影响车辆运行的安全性。实际上近些年因动力蓄电池热失控引发的事故屡见不鲜，造成了不良的社会影响。所以如何准确地判断电池热失控特征，以及电池包自身抵抗热失控的能力显得尤为重要，最起码从热失控开始到结束的时间间隔内，应通过一个明显的信号向驾驶员提示[2]。本文结合我司在动力电池及电动客车安全领域的研究成果，给出电池热失控的一种判断方法及热失控后处理措施，为整车制造企业的设计工作提供参考。
国家标准要求
2020年5月发布GB38031-2020标准，对原动力蓄电池标准进行了全面升级。其中规定：“电池包或系统在由于单个电池热失控引起热扩散、进而导致乘员舱发生危险之前5min，应提供一个热事件报警信号（服务于整车热事件报警，提醒乘员疏散）。如果热扩散不会产生导致车辆乘员危险的情况，则认为该要求得到满足。标准要求新申请型式批准的车型自2021年1月1日起开始执行，已获得型式批准的车型自本标准实施之日起第13个月开始执行。
热失控判断方法
下图为一磷酸铁锂模组结构图，通过模组上的多组温度和电压采样点，可实时监测电池单体的温度和电压数据。推荐如下热失控判断条件：
1）监测点温度达到制造商规定的最高工作温度（70℃）；
2）触发对象产生电压降，且下降值超过初始电压的25%；
3）监测点的温升速率dT/dt≥1℃/s，且持续3s以上。当1）和3）或者2）和3）发生时，判定发生热失控事件。

热失控后处理措施
当电池出现热失控报警后，驾驶员或后台调度系统需组织乘客有序疏散。以电动客车为例，电池管理系统接入整车CAN系统，当管理系统根据单体电压和温度判断出电池系统热失控后将便向CAN系统周期性地发送告警，此时热失控状态置1。如果车辆处于充电状态，电池管理系统退出国标充电流程并立即断开充电接触器；如果车辆处于行车或上高压完成状态，电池管理系统将放电和回馈充电的功率限制为0，请求整车执行下高压指令，电机控制器将在1S内线性降功为0，关闭IGBT，断开主驱放电接触器。与此同时整车如连续接收到10帧热失控的告警信息后，将采取对应的应急措施。
以某磷酸铁锂电池系统为例定义如下报文信息。

按国标要求三级故障里定义了“电池系统热失控”故障，代码36。当电池系统发生热失控，ID1820E0F1_Byte1=36且持续接收到10帧报文后（持续收到10帧报文，即热失控故障持续报警1S，目的是抑制信号干扰），之后整车将从三个方面进行应急处理：
1)整车转向助力将维持30s
热失控告警后，电池管理系统虽请求整车下高压，但是转向助力仍会继续工作30S后电池管理系统才强行下电，或车速小于5km/h时油泵才停机。此要求是为了满足GB38032-2020中“行驶中助力系统控制要求”的条款，即车辆在行驶过程中，出现需要整车断B级高压电的车辆异常情况时，在车速大于5km/h时应保持转向系统维持助力状态或至少保持转向助力状态30s。车辆高速时维持转向助力一定时间在实际中具有重要的指导作用，可避免整车严重故障时油泵立即停机造成的严重安全事故。维持转向助力一段时间，可使驾驶员应急靠边停车。
2)车辆组合仪表进行声光报警
组合仪表主界面弹出热失控的报警窗口，如下图所示。

在报警窗口内包含告警信息：“电池热失控，请立即疏散人员！”，同时在第一次收到告警后在窗口内倒计时5分钟，该时间便是保证乘员舱安全的人员撤离时间。由热失控报警事件触发的声光报警和提示还应满足相关标准的要求。
3)远程调度中心报警
热失控后车载调度系统从CAN总线上获取报警信息，并通过GPRS向后台系统报警，用于远程协助疏散和组织营救。
具体热失控后处理措施如流程图所示。

结束语
本文围绕标准要求的“可充电储能系统在由于单个电池热失控引起热扩散、进而导致乘员舱发生危险之前5min，应提供一个热事件报警信号”条款展开论述。从故障判定的方法和热失控条件触发后整车关键零部件的应急处理策略进行详细设计。电池热失控是一种无法避免的安全隐患，但是通过本文的设计实例，不仅可以精准地判断出故障，还能从容地处置事故，具有很强的实用价值。
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